纺织复合材料资料全

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1、. . . . 第一章 绪论第一节 复合材料的定义和分类教学目的：掌握复合材料的定义和各种分类方法。教学重点：复合材料的定义。教学难点：复合材料的定义。教学方法与手段：课堂讲授课外作业：本章节相关习题学时分配：2+2教学容：人类发展的历史和材料发展的历史息息相关。研究人类历史可以清楚地看到，人类历史上各方面的进步与新材料的创造、出现和应用是分不开的。材料一般可分为无机材料(包括水泥、砖瓦、瓷、玻璃等)、金属材料、高分子材料(包括塑料、橡胶、纤维等)与复合材料4大类。 从泛义来讲，复合材料的围极广，其发展和应用可追溯到人们使用草杆粘土、纸筋石灰材料的时代。生物材料例如竹，木、草、骨头、牙齿、肌肉

2、、毛皮和贝壳等，都是天然复合材料，它们都具有很复杂的微观构造和复合材料的全部特点，它们的构造和复合机理可以给人们很多深刻的启示，有助于理解和研制性能优异的复合材料。由于单一材料的局限性，往往需要具有各种特性的材料进行复合，因此复合材料的发展将是不可限量的。但复合材料学作为一门学科、复合材料作为一种新兴材料工业，直到本世纪40年代初才出现。现代科学技术的发展已进入一个各种材料综合使用的新阶段。人们预测2l世纪将是复合材料大发展的时代。 材料科学家认为：就世界围而论，从1940年开始到1960年的这20年是玻璃纤维增强塑料的时代，可称为复合材料发展的第一代。而60年代开始到现在是玻璃纤维增强塑料(

3、我国简称为玻璃钢)的成熟和完善时期。在这一时期中，同时出现了硼纤维增强塑料和碳纤维增强塑料。到了70年代是Kevlar纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料和氧化铝金属纤维增强塑料以与各自的金属基、瓷基、碳基等复合材料等先进复合材料相继出现的时代。”60年到1980年的20年间是先进复合材料的开发时期，称为复合材料发展的第二代。而从1980年开始直到2000年这20年将是先进复合材料得到充分发展的时期，在这一时期中，复合材料不仅在宇航与飞机材料中应用，而且在所有的工业领域中部将得到应用，这一时期可以认为是先进复合材料发展的成熟时期。在这一时期中，不仅纤维增强塑料(FRP)，就连纤维增强金属(FRM)

4、也将作为各种结构材料而被实用化了。这一时期称为复合材料发展的第三代。 复合材料可以在很大程度上改善和提高单一常规材料的力学性能、物理性能和化学性能，并且可以解决在工程结构上采用常规材料无法解决的关键性问题。因此，不仅飞机、火箭、导弹、舰艇、坦克和人造卫星这些军工产品离不开它，而且运输工具、建筑材料、机器零件、化工容器和管道、电子材料、原子能工程结构材料、医疗器械、休育用品和食品包装等产品也离不开它。由此可见，复合材料在国民经济中的作用十分重要，要使工业和国防现代化，没有新型复合材料的开发和应用是不可能的。11 复合材料定义与其分类复合材料是由两种或两种以上的单一材料，用物理的或化学的方法经人工

5、复合而成的一种固体材料。因此在微观构造上它是一种不均匀材料，具有明显的界面。各种组分材料在界面上存在着力的相互作用。复合材料可保留组分材料的主要优点，克服或减少组分材料的许多缺点，还可产生组分材料所没有的一些优异性能和弱点，其微观构造和复合机理是非常复杂的。通常是使高强度、高模量、脆性的增强材料和低强度、低模量、韧性的基体材料经过一定的成型加工方法制成复合材料。复合材料是与常规材料如金属、塑料等等完全不同的一类材料，它本质上是结构物。用常规材料进行设计和加工制造常规材料结构物，而复合材料结构物是与复合材料一起设计、一起成型制造出来的。这种材料与结构物是一体，一起设计、一起制造的特点，为复合材料

6、结构物的设计提供了很大的设计自由度，带来很大的优越性，可以得到各种单一材料所不能具有的特殊性能。现代材料科学所讨论与研究的复合材料一般是指纤维增强、颗粒物增强或自增强的高分子聚合物基、瓷基(即无机非金属基)或金属基的复合材料。现代复合材料学科包括增强材料、基体材料、界面粘结、结构设计、成型工艺、性能与其测定等方面，并逐步形成了一门与化学、物理、力学与各种应用学科有关的跨学科性的、有着广泛的在联系并互相渗透和互相推动的材料科学。复合材料的命名习惯上把增强材料的名称放在前面，基体的名称放在后面。例如以玻璃纤维和聚丙烯塑料构成的复合材料称为“玻璃纤维增强聚丙烯基复合材料”，简称为“玻璃纤维聚丙烯复合

7、材料”或“玻璃纤维聚丙烯复合材料”。又如以碳纤维和环氧树脂构成的复合材料称为“碳纤维增强环氧树脂基复合材料”，简称为“碳纤维环氧树脂复合材料”或“碳纤维环氧复合材料”。我国称为“玻璃钢”的复合材料，一般是指玻璃纤维和不饱和聚酯树脂构成的复合材料。复合材料的组分材料，绝大多数是由人工制成的或可由人工合成的，因此不会产生资源枯竭的问题。复合材料与其结构产品与金属材料与其结构产品相比，可大大降低能源消耗，减少材料消耗和装配工作量，大幅度地减少腐蚀和磨损，缩短生产周期，提高部件和产品的性能，延长使用寿命。复合材料是大有发展前途的新型材料，90年代和下一世纪将是复合材料的时代。 复合材料可按用途、基体材

8、料、增强材料进行分类。111 按用途分类1111 结构复合材料利用复合材料各种良好的力学性能，例如比强度高、比刚度大和抗疲劳性能好等优点，用于建造或构造结构的材料，称为结构复合材料。并非所有利用复合材料力学性能的材料都是结构复合材料，而结构复合材料有时也具有一些良好的非力学方面的功能。结构复合材料由基体和增强材料组成，增强材料分散在基体之中，用以增强基体；基体材料将增强材料粘结成一个整体，成为复合材料并产生优异的性能。本书侧重讨论结构复合材料。1112 功能复合材料利用复合材料的物理、化学和生物学的功能作为主要用途的，称为功能复合材料。例如，利用复合材料的电学性能、磁学性能、光学性能、热学性能

9、、放射线特性、化学性能、生物学性能和力学性能作为其主要功能的，称为功能复合材料。有些复合材料同时兼有许多功能，也可设计和制造成具有多种功能的复合材料。112 按基体材料分类复合材料又可按基体材料的不同而分为聚合物基体复合材料、金属基体复合材料和瓷基体复合材料。聚合物基体复合材料的应用最广，生产工艺比较成熟，一般说宋，价格比较便宜，使用温度较低。金属基复合材料可用于高温，但制造工艺中所涉与的许多问题非常复杂，影响产品的质量和性能，价格昂贵。金属基复合材料具有许多非常突出的优点，是高技术中不可缺少的一种新型材料。瓷基复合材料本身坚硬、模量较高且可耐高温，但性跪、断裂应变很小，抗拉和抗冲击性能很差；

10、在瓷材料中加入延伸率较大的增强纤维，则可明显改善韧性和耐冲击性能。113 按增强材料分类1131 粒子增强复合材料在粒子增强复合材料中，基体起比较主要的作用。比基体坚硬的增强微粒，均匀地分散在基体之中，用以增强基体抗错位的能力，因而提高了材料的强度和刚度，但同时增大了脆性。按增强颗粒的大小来分，又有弥散强化(粒径为0.010.1m，粒子体积分数为1一15%)和粒子强化(粒径大于1m，粒子体积分数大于25)两种。粒子增强复合材料在宏观上可认为是均匀各向同性材料，但在微观构造上是不均匀的和很复杂的，也存在着界面、缺陷和微裂纹，它不同于均匀、连续和各向同性的金属材料和工程材料。1132 薄片增强复合

11、材料在这种复合材料中用以增强基体的薄片，在面任意两个方向都起增强作用，它在x和y方向是同性的。由于这种复合材料的力学性能往往不如纤维增强复合材料，因此很少用作结构材料。用云母薄片增强的复合材料是一种功能材料，用金属薄片(金属箔)增强的复合材料也是功能材料。1133纤维增强复合材料这种复合材料由增强纤维和基体组成。纤维(或晶须)的直径很小，一般在l0m以下，缺陷较少又较小，断裂应变约为千分之三十以，是脆性材料，容易损伤。断裂和受到腐蚀。基体相对于纤维来说，强度和模量要低得多，但可经受较大的应变(百分之几或更大些)，往往具有粘弹性和弹塑性，是韧性材料这主要是指聚合物基体和金属基体而不是指瓷基体。在

12、纤维增强复合材料中，纤维比较均匀地分散在基体之中，在纤维方向增强基体，起最主要的承载作用。基体的作用把纤维粘结成一个整体，保持纤维间的相对位置，使纤维能协同作用，保护纤维免受化学腐蚀和机械损伤；并减少环境的不利影响，传递和承受剪应力，在垂直于纤维的方向承受拉、压应力等。纤维增强基体的效果，在某个合理的纤维体积分数Vf (在复合材料中纤维所占的体积百分比)围，与Vf成正比。Vf太小了起不到增强效果，纤维在基体应变稍大时就已大量断裂，在基体中造成很多缺陷，反而使强度下降，是不可取的；Vf太大在工艺上不易操作(例如短纤维增强复合材料)，纤维和基体间由于粘结变差，缺陷增多，界面强度下降。韧性基体在复合

13、材料中的体积分数减小了，脆性纤维的体积分数增大了，使复合材料的韧性减小，抗冲击和断裂的性能下降，达不到良好的增强效果，也是不可取的。纤维增强复合材料，由纤维的长短可分为短纤维增强复合材料和长纤维(连续纤维)增强复合材料，它们具有不同的特点和用途。短纤维增强复合材料 短纤维增强复合材料可分为单向短纤维复合材料和杂乱短纤维增强复合材料。单向短纤维增强复合材料，在纤维方向的强度和刚度最大，纤维是起决定性作用的因素；在垂直于纤维方向的强度和刚度，以与剪切强度和刚度方面，基体是起主要作用的因素。杂乱短纤维增强复合材料，又分为短纤维在平面随机分布和空间随机分布两种。纤维在材料中杂乱分布，它是准各向同性的。

14、挤压注射成型的短纤维增强复合材料零部件，具有一定程度(可能是不规则的)各向同性。单向短纤维增强复合材料在纤维方向的力学性能比杂乱短纤维增强复合材料好得多，但在承受剪切和横向拉、压性能方面，就差得多了。在杂乱短纤维增强复合材料中，制造工艺比较简单，适合大规模生产，因而能大大提高生产率和大幅度降低成本。杂乱短纤维增强塑料比之工程塑料，各种力学性能都有改善，因而很有发展前途。短纤维复合材料，除了制造片状模塑料(SMC)作为板材用外，还可用注射成型、模压成型和离心浇铸等工艺高效率的生产零部件。由于劳动生产率很高，价格又比较便宜，因而近年来应用很广。连续纤维增强复合材料 连续纤维增强复合材料在纤维方向具

15、有很高的强度和模量，但在剪切强度和模量方面，在垂直于纤维方向的拉、压强度和模量方面，就远不如三维杂乱短纤维增强复合材料，常发生横向开裂和脱层问题。连续纤维复合材料又分为单向复合材料、叠层复合材料和编织复合材料等。各种复合材料都有其特点和最适用的围。纤维增强复合材料由于纤维和基体的不同，品种很多，例如碳纤维增强环氧、硼纤维增强环氧、Kevlar纤维增强环氧、Kevlar纤维增强橡胶、玻璃纤维增强塑料、硼纤维增强铝、石墨纤维增强铝、碳纤维增强瓷、碳纤维增强碳和玻璃纤维增强水泥等。钢纤维(或细钢丝)增强水泥和玻璃纤维增强水泥属于短纤维增强复合材料，它是结构复合材料，主要用于民用建筑。按纤维性能可将复

16、合材料分为高性能纤维复合材料和工程复合材料。高性能纤维复合材料 以碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、Kevlar纤维(芳纶纤维)和晶须等高性能纤维增强的复合材料，称为高性能纤维复合材料。工程复合材料 玻璃纤维增强塑料(GFRP，俗称玻璃钢)和钢纤维增强水泥等，与高性能纤维复合材料相比，价格比较便宜，某些性能(例如比刚度)较差，在工程上用量较大，称为工程复合材料。在复合材料中，只采用一种纤维和基体材料，称为单一复合材料；如采用两种或两种以上的纤维材料，称为混杂纤维复合材料。对于叠层复合材料的纤维混杂方式，又可分为按层混杂和层混杂两种。在按层混杂复合材料中，每层只采用一种纤维和基体，但不同层次可采用不同

17、的纤维和基体，也可采用金属薄片；在层混杂复合材料中，任何层片都含有两种或多种纤维。也可以采用兼有上述两种混杂形式的超混杂复合材料，以增加设计的自由度。混杂复合材料可出现混杂效应或称为杂交效应。若出现了单一复合材料所没有的优异性能，则此效应称为正混杂效应；若出现了单一复合材料所没有的明显缺点，则此效应称为负混杂效应。一般说来，混杂复合材料在主要方面获得正混杂效应的同时，可能在次要方面出现一些负混杂效应。第二节 复合材料的基本性能特征教学目的：掌握复合材料的基本结构和性能特征。教学重点：复合材料的基本结构；复合材料的性能特征。教学难点：复合材料的性能特征。教学方法与手段：课堂讲授课外作业：本章节相

18、关习题学时分配：2教学容：l.2 复合材料的特点和性能复合材料可由单一增强材料和基体材料组成，也可由几种增强材料和基体材料组成。它是由各种组成材料取长补短复合而成的具有各种材料综合性能的新材料，其性能一般由组成的增强材料和基体材料的性能以与它们之间的界面所决定，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。因此，复合材料有以下的共同特点。 121 复合材料的特点（1）可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。（2）可按对性能的需要进行材料的设计和制造，复合材料是一种结构物。（3

19、）可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。122 复合材料的性能（1）比强度高比刚度大。单位质量的强度和模量，称为比强度和比模量，是在质量相等的前提下衡量材料承载能力和刚度特性的一种指标。（2）成型工艺性能好。这里是指聚合物基体纤维增强复合材料的成型工艺性能好。（3）材料性能可以设计。复合材料的最主要优点和特点在于它的可设计性。（4）抗疲劳性能好。疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而造成的低应力破坏。疲劳破坏是飞机坠毁的主要原因之一。复合材料在纤维方向受拉时的疲劳特性要比金属奸得多。金属材料的疲劳破坏是由里向外经过渐变然后

20、突然扩展的。在渐变阶段，疲劳裂纹和损伤尺寸甚少且甚小，不易检测到。裂纹一旦达到临界尺寸，就突然断裂。因此在发生疲劳破坏之前，常感到没有明显的预兆。而纤维增强复合材料的基体，是断裂应变较大的韧性材料。在基体中和在界面上，固化后常有缺陷和裂纹存在，纤维和基体间的界面常常能阻止裂纹的扩展或者改变裂纹扩展的方向。因此其疲劳破坏总是从纤维或基体的薄弱环节开始，逐步扩展到结合面上，损伤较多且尺寸较大，破坏前有明显的预兆，能够与时发现和采取措施。（5）破损安全性能好。单向纤维增强复合材料，是成千上万根纤维在同一方向由基体粘合而成的。纤维中不可避免地存在着缺陷。若没有基体在传递剪应力，则在拉伸过程中必定有一些

21、纤维由于应力过大或缺陷较大而首先断裂，不再参与承载。于是各纤维的受力状态发生变化，又有一些应力过大或缺陷较大的纤维再次发生断裂，并使断裂的过程加速发展，直至全部的纤维断裂为止。各根纤维所承受的应力和应变非常悬殊，很不均匀，而全部纤维的平均应力和应变则很低。纤维束几乎没有抗压和抗弯的能力，因而纤维束不能单独作为结构材料使用。在纤维增强复合材料中，由于基体的作用，在沿纤维方向受拉时，各纤维的应变基本一样。已断裂的纤维由于基体传递应力的结果，除断口处不发挥作用和在断口附近一小段部分发挥作用外，其余绝大部分纤维依旧发挥作用。断裂了的纤维周围的邻接纤维，除在局部需多承受一些由断裂纤维通过基体传递过来的应

22、力而使应力略有升高外，各纤维在宏观意义上说几乎同等受力。各纤维间应力的不均匀程度大大降低了，其平均应力将大大高于没有基体的纤维束的平均应力，因而增大了平均应变。这样，个别纤维的断裂就不会引起连锁反应和灾难性的急剧破坏，因而破损安全性能很好。（6）减振性能好。以聚合物为基体的纤维增强复合材料，基体具有粘弹性。在基体中和界面上有微裂纹和脱粘的地方，还存在着摩擦力。在振动过程中，粘弹性和摩擦力使一部分动能转换为热能。因此，纤维增强复合材料的阻尼比钢和铝合金大，若采取措施还可使阻尼增大。这就是纤维增强复合材料减振性能好的原因。（7）热稳定性好。纤维增强复合材料的结构部件(和产品)在大幅度温度变化的环境

23、下，具有非常微小的热变形。石墨纤维和Kevlar纤维的复合材料，在纤维方向具有数值很小而且是负值的热膨胀系数。当温度升高时不是伸长而是收缩，当温度下降时不是收缩而是伸长。这种可贵的特性经过合理铺层，可设计出线膨胀系数为零或接近于零的部件。这种特性很重要，只有采用上述纤维增强复合材料才能得到。 复合材料目前还存在一定的缺点，主要包括以下问题： （1）大多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小，所以纤维增强复合材料也是脆性材料。沿纤维方向是这样，垂直于纤维方向更是这样。其断裂应变要比金属材料小得多，这是较大的缺点。但改善纤维的断裂应变、基体的韧性和界面状况，就可提高复合材料的强度和抗断裂、疲劳与冲击等能力

24、。 （2）叠层复合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度很低，这已成为致命的弱点；层间切变模量相当低，引起了若干问题，带来了不良的后果。 （3）影响复合材料性能的因素很多，其中包括纤维和基体性能的高低，孔隙、裂纹和缺陷的多少，工艺流程和操作过程是否合理，固化的温度、压力和时间的安排(升温和降温阶段)是否合适，生产环境和条件是否满足要求等等，这些都能引起复合材料性能的较大变化。加上产品还缺乏完善的检测方法，因此产品的质量不易控制，材料性能的分散性大，可靠性较差。放松了对分散性的要求，而采用过大的安全系数，将使复合材料的优点得不到充分利用。因此，需要十分重视产品质量问题。 （4）用硼纤维、碳纤维和碳化硅

25、纤维等高性能纤维制成的树脂基和金属基复合材料，虽然某些性能很好，但价格昂贵，影响广泛地应用。 （5）纤维增强复合材料与传统的金属材料相比，具有较高的强度和模量，较低的密度。（6）纤维增强复合材料的结构设计与金属材料的结构设计相比，由于各个方向性能的差异，困难更多些。但是纤维增强复合材料的各向异性，根据结构物设计的需要而提供制作适应和发挥材料的性能特点，这种特点只有复合材料才可能具有。这种设计的灵活性可以增强某一方向包括强度、刚度等无须另外设计和加工。 （7）除了性能上的各向异性外，纤维增强复合材料与金属材料还存在很多差异。例如一般来讲，金属材料具有屈服和塑性变形，而大部分纤维增强复合材料在强伸

26、性能上表现为弹性，而这些材料的不均匀性形成高能量的吸收。纤维增强复合材料在外界负荷作用下，可能在性能上逐渐衰减但并没有破坏，因此金属材料与纤维增强复合材料在损伤发展的过程、机理方面同样存在较大的差异。 （8）纤维增强复合材料还具有独特的高阻尼性能，因而能较好地吸收振动能量，同时减少对相邻结构件的影响。这种高阻尼性能的纤维增强复合材料应用于汽车，可减少噪音和振动，改善其舒适性。第三节 复合材料的应用和发展教学目的：了解复合材料的应用领域；了解复合材料的发展状况。教学重点：复合材料的应用；复合材料的发展。教学难点：复合材料的发展。教学方法与手段：课堂讲授课外作业：本章节相关习题学时分配：2教学容：

27、从本世纪40年代起，复合材料的发展已经历了整整半个世纪。随着技术的提高，应用领域已从航空航天和国防军工扩展到建筑与土木工程、陆上交通运输、船舶和近海工程、化工防腐、电气与电子、体育与娱乐用品、医疗器械与仿生制品以与家庭与办公用品等等各部门。90年代初世界总产量达到300多万吨，日本近60万吨，我国约占15万吨。 复合材料由于在航空航天和军工领域的重要性，其发展始终由这一领域推动，同时也在国民经济各个领域开花结果。如在1994年美国130多万吨的总产量中，航空航天和国防军工领域的应用不到2万吨，仅占15左右。民用领域的应用主要集中在建筑与土木工程、陆上交通运输、船舶和近海工程、化工防腐、电气与电

28、子5大领域。在美国、西欧和日本，这5大领域的应用量占到总应用量的85左右。5大领域的侧重面各国有所不同。例如，日本建筑与住宅领域的应用占到总用量的50以上，而在美国仅占不到20；美国在汽车上的用量占到总用量的近30，而在日本仅占不到6。各个国家根据自己经济发展特点，有自己不同的发展重点。131 在建筑上的应用 复合材料在建筑上可作为结构材料、装饰材料、功能材料以与用来制造各种卫生洁具和水箱等。由于价格的原因，多采用玻璃纤维复合材料。 结构复合材料包括承重结构型材、护板和轻质屋盖等，主要用于含有腐蚀介质的厂房和展览馆、体育馆、高级娱乐厅等一类建筑。前者利用玻璃纤维复合材料良好的防腐蚀性能；后者利

29、用其轻质高强和容易造型的优点，容易实现建筑学与美学的结合，达到造型轻巧美观的效果。装饰材料包括建筑物的、外装饰件，除轻质外，充分利用复合材料造型和色彩调配比较容易的特点，可以制造带有各种图案、花纹、仿造天然材料等等的装饰板材和雕塑。 功能材料包括需要采光建筑物，如暖房、商业街的透明拱顶；需要防腐厂房的防腐墙；需要保温或隔音建筑的保温或隔音墙板等。卫生洁具和水箱等在发达国家已广泛应用。132 在陆上交通上的应用 这一领域主要应用于汽车工业。目前尚处在汽车部件的替代阶段，包括装饰件、外装饰件和机能结构件。装饰件以造型美观、色彩舒适和使用柔软安全为特点，多采用增强热塑性复合材料；外装饰件包括发动机罩

30、、保险杠、车顶、挡泥板等等，是汽车上玻璃纤维增强塑料主要代用部件；机能结构件往往有较高的性能要求，如板簧、传动轴和油箱等。油箱已达到实用化，板簧也有一定的应用，传动轴还在试用阶段。目前复合材料在汽车上的应用主要达到减轻质量的目的，同时也改善性能，如提高疲劳寿命和防腐性能，减小噪音等等。 高速列车的车头驾驶室外壳、厢壳与许多装饰件都已采用复合材料。133 在船舶和近海工程上的应用 船舶和近海工程上也主要采用玻璃纤维增强塑料，据统计每年要消耗30万吨以上，占世界复合材料总用量的lo以上。主要利用玻璃纤维增强塑料轻质高强、防腐性能好、维修费用低等优点。建造船舶种类包括渔船、游艇、高速艇、扫雷艇等。近

31、海工程包括港口建设工程和海洋工程(如海洋钻井、海洋釆油)上的应用，除了具有良好的防腐性能外，轻质高强对海上材料运输、安装都带来方便。具体构件包括如海洋平台、挡风墙板、护栏、各类管道等等。134 在防腐工程上的应用 玻璃纤维增强塑料良好的防腐性能使之在防腐工程上得到最广泛的应用，消费量也要占到复合材料总用量的lo以上。化学工业生产中，从原材料、生产过程中的各类物质，直至最后的成品，往往都具有不同程度的、甚至很强的腐蚀性，因此防腐设备的用量最大，包括各类贮罐、塔器、管道、槽车等等。除化工防腐外，油田的输油管、污水管、环保设备中都大量采用玻璃纤维增强塑料。作为生活污水处理的净化槽，日本每年的需求量就

32、高达50万座。135 在电气电子工业上的应用 在电气电子工业上的应用主要是利用玻璃纤维增强塑料的良好电绝缘性能和良好的绝热性能，用于电力工业的输配电设备、各类绝缘构架和操作器械，如各类互感器套、开关套、配电箱、电缆箱、电缆槽、电动车接电杆架、绝缘操作设备构件等等。可以用玻璃纤维短切毡片板压制成型各类电器仪表和家用电器罩壳，它具有绝缘性能好、造型容易、色彩鲜艳等综合优点；加入适当的碳黑或其他导电粉末，可以控制材料的导电性能制造防静电电灯罩或罩壳，用于矿井、油田或化工厂房中易爆工作场所的各类灯具和电器罩壳。 通讯设备中的雷达罩利用玻璃纤维增强塑料的轻质高强和透波性能，在天线反射面中也普遍采用玻璃纤

33、维或碳纤维增强塑料。136 在航空航天和国防军工上的应用 复合材料的高比刚度和比强度，使它成为航空航天工业中非常理想的材料，因为减重在这里将带来非常大的效益，也因此碳纤维复合材料成为主要的选择。兼要其他功能时也采用其他纤维或采用混杂纤维。 航空工业上普遍使用玻璃纤维增强塑料的机头雷达天线罩，它既起承力作用，又有良好的透波性能。直升机旋翼桨叶采用复合材料不但可减轻质量，还可采用变截面曲面翼形以提高空气动力学效应，又有疲劳寿命长、对缺口敏感可靠性强等优点。在民用飞机基本结构件上的使用还十分慎重，仅开始在垂直尾翼和水平尾翼上试用。如A3l0空中客车的垂直尾翼采用混杂复合材料减重397kg；A320空

34、中客车在垂直和水平尾翼上应用，减重800 kg。民用机的更多采用是在非受力件上，如货仓地板、行柜、座位架、装饰件等。材料性能对于军用战斗机有更重要的意义，也更多采用复合材料。欧洲国家80年代末期的目标是结构重量35是复合材料，替代构件包括主翼、机身、尾翼和舵等。 航天工业上应用复合材料带来的效益更为突出，因为减重就是意味着可以增加载重或是提高火箭的射程。卫星系统中普遍采用碳纤维复合材料做基本构件，如太阳能系统、微波通讯系统、卫星仓各种结构件。碳纤维复合材料低的轴向热膨胀系数，保持良好的尺寸稳定性，以确保卫星观测、通讯系统的精确度。在火箭系统中，玻璃纤维缠绕固体火箭发动机壳体大大减轻火箭质量，美

35、国“北极星A一3”潜一地导弹中复合材料结构质量比原先金属结构质量减轻50一60。用芳纶纤维代替玻璃纤维，又使“三叉戟”潜一地远程导弹结构减轻35以上，使射程增加500km。我国的卫星中复合材料构件占总结构质量的80一90，最大运载火箭的碳环氧发动机壳体质量近l 000 kg，比铝合金壳体减轻质量30。 复合材料在军事工业上应用对于提高武器威力、增大射程、减轻武器质量等方面也起重要的作用。在战术火箭中的火箭发射筒、火箭发动机壳体、小型固体火箭发动机耐烧蚀喷管等都采用复合材料。第二章 复合材料的高性能增强体第一节 概述 第二节 Kevlar纤维教学目的：掌握Kevlar纤维的性能特点；了解Kevl

36、ar纤维结构特征，掌握Kevlar纤维的应用。教学重点：Kevlar纤维的性能特点；Kevlar纤维的应用。教学难点：Kevlar纤维结构特征。教学方法与手段：课堂讲授课外作业：本章节相关习题学时分配：2教学容：一、概述作为增强材料的纤维是组成复合材料的主要成分。在纤维增强复合材料中占有相当的体积分数，同时是结构复合材料承受载荷的主要部分。增强纤维的类型、数量和取向对纤维增强复合材料的性能十分重要，它主要影响以下的方面：（1） 密度；（2） 拉伸强度和模量；（3） 压缩强度和模量；（4） 疲劳强度和疲劳机理；（5） 电和热性能；（6） 价格。二、Kevlar纤维1、总体概况芳纶纤维全称为聚对苯

37、二甲酰对苯二胺,英文为Aramid fiber（杜邦公司的商品名为Kevlar），是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的56倍，模量为钢丝或玻璃纤维的23倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560度的温度下，不分解，不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。芳纶的发现，被认为是材料界一个非常重要的历史进程。 2、应用芳纶纤维是重要的国防军工材料，为了适应现代战争的需要，目前，美、英等发达国家的防弹衣均为芳纶材质，芳纶防弹衣、头盔的轻量化，有效提高了军队的快速反应能力和杀伤力。在海湾战争中，美、法飞机大

38、量使用了芳纶复合材料。除了军事上的应用外，现已作为一种高技术含量的纤维材料被广泛应用于航天航空、机电、建筑、汽车、体育用品等国民经济的各个方面。在航空、航天方面，芳纶由于质量轻而强度高，节省了大量的动力燃料，据国外资料显示，在字宙飞船的发射过程中，每减轻1公斤的重量，意味着降低100万美元的成本。除此之外，科技的迅猛发展正在为芳纶开辟着更多新的民用空间。据报道，目前，芳纶产品用于防弹衣、头盔等约占78%，航空航天材料、体育用材料大约占40%；轮胎骨架材料、传送带材料等方面大约占20%左右，还有高强绳索等方面大约占13%。 3、主要品种芳纶主要分为两种，对位芳酰胺纤维（PPTA）和间位芳酰胺纤维

39、（PMIA），自20世纪60年代由美国杜邦（DuPont）公司成功地开发出芳纶纤维并率先产业化后，在30多年的时间里，芳纶纤维走过了由军用战略物资向民用物资过渡的历程，价格也降低了将近一半。现在国外芳纶无论是研发水平还是规模化生产都日趋成熟。3.1对位芳酰胺纤维（PPTA）在芳纶纤维生产领域，对位芳酰胺纤维发展最快，产能主要集中在日本和美国、欧洲。如美国杜邦的Kevlar纤维，荷兰阿克诺贝尔（Akzo Nobel）公司（已与帝人合并）的Twaron纤维，日本帝人公司的Technora纤维与俄罗斯的Terlon纤维等。3.2间位芳酰胺纤维（PMIA）间位芳酰胺纤维的品种有Nomex、Conex、

40、Fenelon纤维等。美国的杜邦是芳纶开发的先驱，他们无论在新产品的研发、生产规摸上，还是在市场占有率上都是世界一流水平，仅他们生产的Kevlar纤维，目前就有Kevlar一49、Kevlar29等十多个牌号，每个牌号又有数十种规格的产品。杜邦公司在去年宣布将扩大Kevlar纤维的生产能力，该扩建项目预计在今年年底完工。帝人、赫斯特等芳纶生产的知名企业也不甘示弱，纷纷扩产或联合，并积极开拓市场，希望成为这个产业的生力军。 4、发展状况德国Acordis公司近期开发出高性能超细对位芳纶 (Twaron)产品，它既不燃，也不会熔融，还有很高强度和极大杭切割能力，主要可用于生产涂层与非涂层织物、针织

41、产品和针剌毡等既耐高温又抗切割的各种纺织服装装备。Twaron超细长丝的细度仅为职业安全服常用对位芳纶的60%，用它织造手套其抗切割能力提高l0%，用它生产梭织物和针织产品，其手感更柔和，使用更舒适。Twaron防切割手套主要用于汽车制造业、玻璃工业与金属零部件生产厂，还能为森林工业生产护腿用品，为公共运输行业提供防破坏装备等。利用Twaron的阻燃耐热性，可为消防队提供防护套装和毡毯等装备，以与为铸造，炉窑、玻璃厂等高温作业部门提供耐热防火服，以与生产飞机座阻燃防火包覆材料。用这一高性能纤维还能创造汽车轮胎、冷却软管、V型皮带等机件、光学纤维电缆和防弹背心等防护装备，还能代替石棉做磨擦材料材

42、抖和密封材料等。 据有关部门统计，芳纶纤维世界总需求量在2001年为36万吨/年，而在2005年将达到50万吨/年。全球对芳纶的需求呈现不断增长的态势，芳纶作为一种新兴的高性能纤维进入了飞速发展的时期。 与海外芳纶纤维产业的红红火火相比，芳纶的国产化才刚刚起步。由于芳纶纤维在我国的发展起步较晚，国外公司对核心技术的封锁垄断等原因，目前我国芳纶纤维的技术水平、产品档次与生产能力都与国外发达国家存在着一定的差距。据悉，近几年，我国电子、建筑、轮胎工业迅速发展，使得我国芳纶用量迅猛增长。造成我国芳纶国产化如此艰难的原因主要有两点：一是生产的技术瓶颈难以突破；二是大部分原料需要进口，特别是国产的溶剂不

43、能过关。但正是因为它在国是新生事物，市场还远远没有饱和，才值得我们去关注、去开发。目前我国芳纶生产的发展已提到了议事日程，芳纶被列入国家鼓励发展的高新技术产品目录之中，政府也将芳纶纤维在工程轮胎、同步带中应用技术开发列为我国十五橡胶工业重大研究和产业化课题。特别是在间位生产线芳酰胺的开发和生产方面，我国取得了一定程度的进步。5、Kevlar纤维的结构凯夫拉纤维包含几个层次的叠加微观结构和宏观结构，它们包括结晶结构、折叠结构、原纤结构和皮芯结构。用几种结构模型来描述这些微细结构和形态特点。5.1结晶结构 凯夫拉纤维具有高结晶和高取向分子结构，这通过广角X一衍射研究得到。X一衍射图上无非结晶的晕，

44、表示凯夫拉纤维的高结晶，一对清晰的环表示纤维包含很少部分(可能几个百分数)的无取向的结晶。 根据X一衍射分析用结晶度、晶体尺寸、结晶缺陷和结晶取向来表征凯夫拉纤维的结晶结构。教材图2.28表示凯夫拉在赤道处广角X一衍射扫描模拟曲线。在赤道处存在两个衍射峰 对于低模量和中模量的凯夫拉纤维，(110)平面峰显示较低强度的峰，但ACJ值略低于(200)平面峰的值。然而，具有高模量的凯夫拉纤维，一般(110)平面峰的强度大于(200)平面峰的强度。这是由于加工条件的改变。这种峰强度和丑CJ值的改变常常反映了相应于加工条件的改变而晶体形状的改变。5.2原纤结构 凯夫拉纤维承受摩擦时易原纤化，这是由于具有

45、有序的原纤结构以与较小横向力(大分子之间除了德华力和氢键力)。教材图2.210说明了凯夫拉长丝的原纤化。Panar等原纤沿纤维轴取向，尺寸为600nm宽，几厘米长。这些原纤同样显示了35nm间隔的结晶缺陷层，它们是有原纤相互交缠的原纤束联系在一起。图2.211表示叠加在结晶结构上的原纤结构模型。较高的结晶度和较高的有序原纤结构是构成凯夫拉纤维承受载荷的基本单元。5.3 褶叠结构 教材图2.212显示了凯夫拉长丝在正交偏振光显微镜下的横向光带。图2.213表示当纤维承受力时，横向光带削弱。Panar等指出这些光带间距为500一600nm。 Dobb等用电镜暗场技术，沿纤维轴向发现在500和250

46、nm处有周期性的轴向光带。这个(200)结晶平面在纤维轴向形成两个交替光带，根据这些观察，他们提出了凯夫拉纤维径向褶叠层模型，如图2.214所示。 凯夫拉纤维的褶叠层结构并不很容易理解，当纤维凝固时，纤维表层首先形成，纺丝应力衰减，则纤维中心层松弛，同时在结晶过程中，均匀的周期性形成褶叠。显然这种褶叠给纤维结构带来一些弹性。图2.213光带的减弱可用褶叠结构的伸展来解释。由于这个原因，凯夫拉纤维具有一定弹性变形。一般来讲，凯夫拉纤维29和49都存在褶叠结构，凯夫拉49具有较弱和较均匀的褶叠结构，凯夫拉149比49具有较高的强伸模量(1 2431cNdtex)，较高的结晶取向，较大的结晶尺寸。显

47、然，褶叠结构的存在，降低了强伸模量而带来了一定的弹性。5.4皮芯结构 凯夫拉纤维的皮芯结构可用不同的方法来解释。Provost观察凯夫拉纤维长丝不可染，但损伤的长丝和短纤维在一定程度上可染，用显微镜观察发现染料从纤维端部或通过损伤纤维的表皮裂纹中进入纤维的中心。Morgan等观察到部分断裂的凯夫拉49纤维在拉伸变形时纤维芯层逐渐断裂。纤维皮层的断裂是由于在表层区较高取向的原纤的劈裂，然而芯层的断裂是由于部分皮层裂纹的扩展产生皮层断裂，进而引起芯层的断裂。6、Kevlar纤维的性能6.1凯夫拉纤维化学与物理性质前面已简要地讨论了凯夫拉纤维的主要性能，并详细地讨论了它的结构和形态。这一部分主要讲述

48、凯夫拉纤维的化学和物理性能。教材表21(a)概括了几种凯夫拉纤维长丝纱的基本性能，这些性能包括长丝密度、回潮率、强伸性能。教材表24表示结强、钩强、零和半强度温度(强度为零和强度为一半时的高温温度)、比热容。教材表25比较7，凯夫拉纤维和其它工业用纤维的基本性能。教材表26比较了凯夫拉纤维和几种高性能纤维的主要性能。从表中可看出，凯夫拉纤维在高性能纤维中并不具有最大的拉伸强度和模量。对于凯夫拉纤维性能最重要的是它具有比较均衡的性能，即具有高强伸性能、高韧性、低密度、耐腐蚀、较好的热稳定性。6.2凯夫拉纤维的一般性能对于商业化纤维产品，凯夫拉的比浓对数粘度一般高于4d1g，它的平均相对分子质量为

49、20 000，聚合度为84，分子链长度为108nm。凯夫拉149具有较高的比浓对数粘度，常常超过10d1g。 凯夫拉纤维为有光、黄色，凯夫拉49为深黄色。当加热到450C以上，凯夫拉纤维逐渐变焦和变脆，凯夫拉纤维的颜色在对位取代链过酰胺键和胺端氧化产品共轭形成。由于这个原因，具有扭曲的或螺旋线构象的纤维，共轭度低，构成的颜色较淡。大部分凯夫拉纤维的线密度为13.7tex，其截面为圆形，直径为0.012mm，2 045.5tex和2 727.4tex的凯夫拉长丝和l 936.3tex的凯夫拉49长丝，其每单纤维为20.51ex，直径为0.015 mm。 大部分短纤维产品其密度为1.43一1.44

50、gcm3，而凯夫拉49为1.44一1.45gcm3，凯夫拉149为1.47，与常规合纤相比，锦纶为1.14，聚酯为1.38，碳纤维为1.8，玻璃纤维为2.25，钢丝为7.9。因此凯夫拉纤维密度比锦纶、聚酯大，而比碳纤维、玻璃纤维和钢丝小，在基本一样强度下，凯夫拉纤维具有较轻的特点。 凯夫拉纤维的平衡回潮率是非常重要的物理性能。因为在恶劣的条件下，这会影响其界面性能和热稳定性。凯夫拉和凯夫拉29纤维平衡回潮率为7.0，凯夫拉49为4.0，凯夫拉149为l。6.3凯夫拉纤维的机械性能(1)强伸性能对于高性能纤维，在一般条件下和高温条件下的强伸性能是最重要的物理性能之一。凯夫凯夫拉纤维其单丝强度为2

51、2.926.5cNdtex。凯夫拉长丝有一较宽的强伸围；强度15.923.8cNdtex；断裂伸长1.5一4.4；模量379.5970.9cNdtex。 教材图2.2l7表示加捻对凯夫拉长丝强度的影响。开始随捻度增加，强度增加，并达到一最高值，随后下降，这反映单丝之间强度和伸长的不均匀性，以与具有较低断裂伸长的单丝产生应力集中并先断裂，当捻度继续增加时，增加了径向应力，亦导致单丝断裂。同时增加捻度亦增加了螺旋角，增加了应力的不均匀性。 教材图2.218表示凯夫拉纤维与其他产业用帘子线应力一应变曲线。凯夫拉纤维断裂强度19.420.3cNdtex，这5倍于钢丝，2倍于锦纶、聚酯和玻璃纤维，9倍于

52、高强锦纶。凯夫拉49和149有更高的模量，分别为861.4和970.9 cNdtex。断裂伸长比较低，凯夫拉119为4.4%；凯夫拉29为3.6%；凯夫拉49为2.8；凯夫拉149为1.5%。 教材图2.219表示了凯夫拉和钢丝缆绳在空气中或在海水中“自由长度(Free Length)”的比较，自由长度是指纤维由于自身重量而断裂的长度，它等于强度密度。按它的定义，凯夫拉49纤维在空气中的自由长度为7倍于钢丝长度，在海水中为26倍于钢丝长度。 当纱线成圈形式使用，如增强材料为针织结构，则钩接强力是一个重要的设计参数。测定时一个纱圈环绕另一个纱圈，在强伸仪上拉伸断裂测得。凯夫拉纤维钩接强度为8.8

53、一l0.6cNdtcx，约为拉伸强度的50。合成纤维在一般情况下，经较长时间受力后，强力下降。凯夫拉纤维经一定时间后，相比于锦纶、乙纶具有较高的断裂强力百分数，安全系数为23。凯夫拉纤维从理论上讲其使用寿命长于100年，锦纶为3-4年，乙纶无确切时间。凯夫拉纤维的高结晶和各向异性使得其具有非常低的蠕变，但在较高的应力下，产生蠕变。一般来讲，蠕变随着应力和温度的增加而增加，教材图2.220表示凯夫拉29和49纤维在断裂强度50作用下，蠕变和时间的关系，从图上反映凯夫拉29的蠕变比凯夫拉49大。对于凯夫拉29和49蠕变率是常数，而蠕变量随对数时间呈线性增加。对于结构增强复合材料，要求低蠕变。(2)

54、压缩性能凯夫拉纤维的压缩性能完全不同于它的拉伸性能，它在轴向和径向具有较低的压缩性能，这主要由于它的高结晶和高取向。由于实验上的困难，很少报导有关压缩性能。表27比较了凯夫拉49纤维拉伸、压缩和剪切性能，凯夫拉49纤维的轴向压缩强度约是拉伸强度的15，即4.8和23.7cNdtex。在压缩屈服点的应变为0.5，而拉伸断裂为2.5%。压缩模量为130GPa，这与拉伸模量基本一样。(3)剪切性能 凯夫拉纤维具有较低的剪切性能，因为它具有较高的各向异性。Deseresa等用扭转实验研究了凯夫拉49纤维的横向剪切性能，凯夫拉49纤维扭转应变10%后，强伸性能降低10，这种强度的损失是由于纤维纵向劈裂，

55、因此近似的剪切强度可以通过纤维的劈裂点处扭转切变模量和扭转应变进行计算。教材表27对凯夫拉49纤维的剪切性能、拉伸性能和压缩性能进行了比较。从表中知道，剪切性能远远低于拉伸性能和压缩性能。拉伸强度和压缩强度之比、拉伸强度和剪切强度之比、拉伸摸量和切变模量之比分别为5、l7和70。 教材表28比较了几种纤维的切变模量。凯夫拉纤维的切变模量虽然均低于拉伸和压缩模量，但远远高于一般纤维的切变模量。 (4)疲劳性能 在工业上，纤维或纤维增强复合材料常常承受往复循环拉伸和循环拉伸、压缩。一般来讲，一定循环后，导致纤维疲劳和强力损伤。疲劳寿命与循环负荷一般呈指数关系。最小负荷为零负荷时，疲劳寿命可能减少一

56、个数量级，凯夫拉长丝的断裂强力的80可循环拉伸l07次，但其中80的长丝断裂，以6的断裂强力进行循环拉伸107次，没有纤维断裂，但纤维产生原纤化。 (5)耐磨性能 由于凯夫拉纤维较弱的横向结合力，因此具有较低的耐磨性能，当纤维之间摩擦或与金属表面摩擦，易原纤化。这种情况在纤维表面区域，易纤维劈裂或原纤化，以致形成断裂。为了保护其表面，大部分凯夫拉纤维制品上油剂，增加耐磨性。(6)断裂形态和破坏机理 凯夫拉纤维具有高的强伸性能，较低的压缩性能和剪切性能，凯夫拉纤维的应用主要取其强伸的特点。因此破坏的注意点首先是拉伸破坏，其次是压缩和扭转破坏。以下讨论凯夫拉纤维在3种破坏模型中的断裂与破坏机理。拉

57、伸断裂时有3种基本形式的断裂形态：(a)呈尖状断裂(Pointed break)；(b)原纤化断裂(Fibri11ated break)；(c)扭结带断裂(Kink band break)。呈尖状断裂。其形态表现为沿纤维轴向逐渐变尖，一般纤维直径为12m，而纤维断裂处直径为24m。纤维强度一般根据纤维原来断面积进行计算。因此根据在断裂处纤维断面积进行计算，其断裂强度偏高。这种断裂形态往往在凯夫拉纤维低应变速率下形成。原纤化断裂。这是最常发生的一种断裂，在一般拉伸条件下形成的。断裂处产生原纤化且形成劈裂，这种断裂形式，纤维直径拉细，这说明了原纤化结构开始滑移和劈裂，跟随的是逐步原纤化断裂，并形成

58、锯齿状。扭结带断裂。是处于扭结情况下过早的拉伸断裂，在拉伸断裂过程中纤维直径基本上没有改变，在断裂处呈倾斜断裂形态，与纤维轴一般呈55一60度，这表示扭结带的剪切平面。这种扭结带反映了纤维结构上的不连续性，从而降低了纤维断裂强力。许多因素影响纤维在拉伸时断裂的形态，包括长丝束单丝与单丝之间相互作用；压缩或挠曲纤维应力；应变速率和纤维微结构。这些因素将影响开始时的断裂以与裂纹的扩展。显然，断裂型式是理想情况；断裂型式在大部分应用情况下发生；断裂型式应该要避免，因为纤维的强力并没有得到充分利用。这些应在设计和使用时注意，并应使压缩应力和挠曲应力最小。 Morgen等提出了凯夫拉49纤维断裂模型，如

59、教材图2。223所示。他们认为断裂开始在皮层，这是高有序、原纤结构劈裂的结果。跟随的是在两个连接点处横向皮层断裂以与纵向裂纹的扩展，最后纤维芯层断裂，这种断裂模量反映了凯夫拉纤维的皮芯结构。6.4凯夫拉纤维的热性能凯夫拉纤维的热性能主要包括比热容、热传导、转变温度、降解温度、抗燃性能、尺寸稳定性、热稳定性等。6.4凯夫拉纤维的化学性能(1)氧化稳定性 应用于高温，要求具有良好氧化稳定性。例如帘子线，特别对于脂肪族聚酰胺，靠近酰胺氮的碳原子对于自由基团的反应是薄弱的。凯夫拉纤维有极好的稳定性和很低的强度损失，而锦纶纤维具有较差的氧化稳定性，并有很高的强度损失。 Smith研究了100一250度热

60、老化对凯夫拉纤维强伸性能的影响。凯夫拉49氧化稳定性与凯夫拉29相似，因此对凯夫拉纤维在氧化环境下，长时间使用的最高温度为150度。 (2)耐化学性能大部分有机溶剂对凯夫拉纤维的断裂强度影响很小，大部分盐水溶剂无影响。但是强酸和强碱在高温下或高浓度下会降低凯夫拉纤维的强度。第三节 碳纤维教学目的：掌握碳纤维的性能特点；了解碳纤维结构特征，掌握碳纤维的应用。教学重点：碳纤维的性能特点；碳纤维的应用。教学难点：碳纤维结构特征。教学方法与手段：课堂讲授课外作业：本章节相关习题学时分配：2教学容：碳纤维由有机纤维经高温炭化而成。早在1879年，Edison曾发明用碳纤维做电灯丝，但直到1950年美国才

61、制成了具有一定机械性能的碳纤维，使碳纤维能够作为复合材料的增强材料，开始了碳纤维发展的新阶段。目前碳纤维92以上主要用于复合材料。1959年美国在碳纤维的制造上实现了工业化生产，生产了Thornel25、40、50、100等牌号的碳纤维。1961一1964年期间，日本和英国均以聚丙烯腈为原料制成了碳纤维，其型号有Modmor I、T300和M40。此后由于碳纤维在航空与宇航工业中得到了应用，因而发展迅速。到1980年国外已有16家公司生产碳纤维。1978年碳纤维产量为800吨，1980年的产量为910吨，1985年达2 700吨以上。碳纤维的产量与用量之所以如此迅速增长，与其性能的提高分不开。

62、以日本东丽公司生产的碳纤维的技术指标为例，1973年提供的T300纤维其拉伸强度大于2.5GPa(16.3cNdtex)，断裂伸长率为1.3。1982年曾介绍该纤维其拉伸强度为3.43.6GPa(22.223.5cNdtex)，延伸率为1.4一1.5。另外据报导，该公司还发展了新品种高强碳纤维T400，其拉伸强度可达4.2GPa(27.5cNdtex)，断裂伸长率为1.7。上述的性能是由石墨结构所决定的。石墨是六方晶体结构，如教材图2.31，在石墨层面上，碳原子以短的共价键连接，沿层面排布开来。碳原子间的距离为0.1415nm，而层与层之间由德华力连接着，层与层之间的距离用X光衍射精密测定结果

63、为0.3354nm。在层面的活化能约为5.4kJmol。材料的弹性模量取决于它的原子间的作用力，因此对高强度各向异，陆的石墨晶体结构，在乎行于层面方向施加应力时，由于面层相互结合力弱，弹性模量就低。正如物质强度理论所论述的那样，材料的强度除取决于分子结构外，还决定于结构的完整性，即位错、缺陷、缝隙、杂质的存在情况。完整的结构将使材料具有高的强度。教材表214列出了碳纤维、晶须以与其他一些纤维的性能。当前国外已商品化的碳纤维种类很多，一般可以根据原丝的类型、碳纤维的性能和用途进行分类。根据碳纤维的性能分类如下：（1）高性能碳纤维：在高性能碳纤维中有高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等。（2）低性能碳纤维：这类碳纤维有耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。具体有关性能见教材表2-15。根据原丝类型分类如下：（1）聚丙烯腈基碳纤维；（2）粘胶基碳纤维；（3）沥青基碳纤维；